كشف علماء معهد وايزمان للعلوم عن مصدر الثراء البلوري لعالم الحيوان وأظهروا كيف يمكن إنتاج مجموعة مذهلة من الخصائص البيولوجية المعقدة من جزيئين بسيطين
ما هو القاسم المشترك بين الأسماك والحرباء وسرطان البحر ووالتر وايت، الكيميائي في مسلسل "Breaking Bad"؟ الجواب هو أن الجميع يعرف كيفية صنع البلورات! ولكن في حين أن السيد الأبيض سيئ السمعة ينتج بلورات الميثامفيتامين دون وعي لأغراض إجرامية، فإن الكائنات الحية تنتج بلورات طبيعية في الغالب لأغراض إيجابية ومفيدة للغاية: من الرؤية والتمويه إلى التنظيم الحراري والتواصل.
على الرغم من أن العديد من البلورات الجزيئية التي تنتجها الكائنات الحية في خلاياها تتكون من جزيئين فقط - الجوانين والهيبوكسانثين - فعندما تفحص المنتجات المختلفة التي يتم الحصول عليها بهذه الطريقة، فإن رأسك يدور من كثرة الأشكال والاستخدامات والخصائص البصرية. إن القدرة على إنتاج مثل هذا التنوع الكبير باستخدام لبنتين بسيطتين قد أثارت اهتمام العديد من الباحثين، ولكن حتى الآن لم يتم العثور على تفسير للثراء البلوري لعالم الحيوان. الآن، في مجال البحوث نشرت في المجلة العلمية الطبيعة الكيميائية الحياتية وقد حل علماء معهد وايزمان للعلوم اللغز وقدموا وصفًا شاملاً ومفصلاً لـ "الوصفات البيولوجية" التي تستخدمها الخلايا لإعداد قائمة متنوعة للغاية ومتعددة الاستخدامات من البلورات.
بطل القصة هو سمكة الحمار الوحشي، وهي سمكة صغيرة ذات مظهر ملون مذهل، وجسمها مرصع بالعديد من البلورات الملونة. وفي الصور القريبة يمكنك أن ترى أن أنسجة الأسماك التي تحتوي على بلورات تختلف عن بعضها البعض: فبينما أغطية الخياشيم مزينة بألوان فضية، تعكس العيون ضوءًا مزرقًا، وتتألق خلايا الجلد باللون الأصفر أو الأزرق المتلألئ.
"لكي نفهم مصدر الاختلافات بين البلورات، قررنا عزلها عن الأنسجة، واكتشفنا بلورات تختلف كثيراً عن بعضها البعض في شكلها وتركيبها وترتيبها في الخلية" يقول الدكتور. دفير جور، الذي يرأس مجموعة البحث. وباستخدام المجهر الإلكتروني، لاحظ فريق البحث أن أغطية الخياشيم البلورية طويلة وضيقة، وفي العيون قصيرة إلى حد ما، وفي الجلد - مربعة تقريبًا. يوضح الدكتور جور: "لقد أدركنا أن بلورات الزرد هي في الواقع فرصة بحثية مثالية لفهم كيفية تحديد بنية وخصائص البلورات في العالم الحي، دون الحاجة إلى مقارنة البلورات المتكونة في حيوانات مختلفة تختلف في حملها الجيني". .
وعندما فحص الباحثون البلورات المختلفة لأسماك الزرد، لاحظوا أن شكلها يتأثر بالنسبة بين جزيئات الجوانين والهيبوكسانثين. تذكرنا هذه النتيجة، على سبيل المثال، بعمل صانع الحلويات، الذي يتعين عليه اختيار النسبة الصحيحة بين المكونات لتثبيت نكهات مختلفة: على سبيل المثال، ستنتج نسبة عالية من الكريمة إلى الشوكولاتة موسًا جيد التهوية، بينما ستنتج نسبة متوازنة أو منخفضة إنتاج جاناش الشوكولاتة المناسب للحشو أو التغطية. وبالمثل، عندما تحتوي البلورة على نسب مختلفة من الجوانين والهيبوكسانثين، فإن شكلها يتغير ومعه خصائصها البصرية، وبالتالي أيضًا طريقة استخدامها من قبل الحيوانات. وبعد قياس النسبة بين وحدات البناء لبلورات الأسماك المختلفة، تمكن الباحثون من تقليد الأشكال البلورية الثلاثة للأسماك بشكل صناعي في أنابيب اختبار تحتوي على نسب متفاوتة من كتلتي البناء.
البروتينات التي تعيد الضوء إلى الخياشيم
لكن الجوانين والهيبوكسانثين ليسا مجرد لبنات بناء من البلورات، ولكنهما أيضًا جزيئات أساسية تستخدمها جميع الكائنات الحية وضرورية لبناء الحمض النووي والأداء الطبيعي للخلية. ولفهم آلية التوازن بينهما في البلورة، وكيف أن تكوين البلورات في الخلية لا يضر بالعمليات البيولوجية الأخرى، قامت راشيل دايس، طالبة الدكتوراه التي قادت البحث، بعزل الخلايا التي تنتج البلورات - والتي تسمى iridophores - وبالتعاون مع فريق بحث متعدد التخصصات، تمكنوا من فك رموز الآليات البيولوجية التي تسمح لهم بإنتاج بلورات "مخصصة".
يقول دايس: "هذه هي المرة الأولى التي تمكنا فيها من عزل حاملات القزحية، وتحديد البروتينات الموجودة فيها، ومقارنتها بالخلايا التي لا تنتج بلورات، وعندما نظرنا إلى قائمة بروتينات حاملات القزحية، لقد فوجئنا باكتشاف اتجاهين متناقضين ظاهريًا: من ناحية، بدا أن حاملات القزحية تحتوي على كمية عالية جدًا من الإنزيمات المسؤولة عن تحطيم وتجميع الوحدات البنائية للبلورة، ومن ناحية أخرى، كانت هناك نسبة أقل من كمية طبيعية من الإنزيمات الأخرى ذات البنية المماثلة والتي تنتمي إلى نفس العائلة."
هذه النتائج جعلت الباحثين يشككون في أن كل مجموعة من حاملات القزحية لديها توازن إنزيمي فريد - وأن التوازن الفريد في الخلية هو الذي يحدد النسبة بين الوحدات البنائية لكل بلورة، ونتيجة لذلك، بنية ووظيفة الخلية. بلورات في الأنسجة المختلفة. يقول الدكتور جور: "يمتلك البشر إنزيمًا واحدًا فقط مسؤولاً عن الخطوة النهائية في تحضير الجوانين، بينما حددنا في الأسماك خمسة إنزيمات مختلفة". إن وفرة هذه الإنزيمات في الأسماك تسمح لها بإنتاج نسب مختلفة من وحدات البناء الجوانين والهيبوكسانثين المستخدمة في تكوين البلورات، دون تعطيل وظائف الخلية المختلفة.
أخيرًا، وضع الباحثون الآلية على المحك: فقد ابتكروا سمكة غير قادرة على التعبير عن أحد الإنزيمات اللازمة لتكوين الجوانين البلوري - إنزيم pnp4a. في أسماك الزرد الطبيعية، يظهر الإنزيم بكميات كبيرة في حاملات القزحية في العين، وبكميات أقل في حاملات القزحية في الجلد. وعندما ابتكر الباحثون سمكة لا تستطيع إنتاج الإنزيم، تقلصت البلورات الموجودة في عينيها وتحولت من بلورات مستطيلة إلى بلورات مربعة، مماثلة لتلك التي لوحظت في جلد السمكة. وأكدت التجربة أن كل مجموعة من الخلايا لديها توازن إنزيمي فريد، وعندما يختل التوازن تحدث تغيرات في الوحدات البنائية للخلية، ونتيجة لذلك، في بنية البلورات الموجودة فيها.
"أحد الأشياء الجميلة في البحث هو أننا تمكنا من فك رموز القصة من البداية إلى النهاية: من الجينات التي تسمح للأسماك بإنتاج مجموعة كبيرة ومتنوعة من الإنزيمات ذات وظائف متشابهة ولكنها مختلفة، من خلال المستوى الفريد للتعبير عن كل إنزيم في الخلية، إلى الطريقة التي يحدد بها وجود الإنزيمات العلاقة بين الوحدات البنائية للبلورات - وبالتالي خصائصها"، يخلص الدكتور جور. ويعزو الباحثون القدرة على الكشف عن الآلية برمتها إلى الطبيعة متعددة التخصصات لفريق البحث، الذي ضم علماء أحياء إلى جانب خبراء في البصريات والمواد. لا تعمل النتائج على تحسين قدرتنا على فهم الطبيعة وتقليد موادها فحسب، بل تسلط الضوء أيضًا على جمال الطبيعة وبساطتها: كيف ينتج تركيبان جزيئيان بسيطان ثروة من الوظائف البيولوجية المعقدة.
وشارك في الدراسة أيضًا علا بايكو، ودوليف برينمان بيغن، والدكتور تالي ليرر غولدشتاين، والدكتور زوهار إيال، والدكتور تسفيا أولاندر من قسم الوراثة الجزيئية؛ الدكتور موشيه جولدسميث من قسم العلوم الجزيئية الحيوية؛ يونغهاي دونغ، والدكتور زيف بورات، والدكتور هيوي هينيغ من قسم البنى التحتية لأبحاث علوم الحياة؛ الدكتورة صوفيا لوشكينا من قسم علم الأعصاب؛ الدكتور سميدير ليفين زيدمان، والدكتور إيدو بينكس، والدكتورة نيتا فارسانو من قسم البنية التحتية للبحوث الكيميائية؛ الدكتور ميتال كوبرفيرسر من المركز الوطني الإسرائيلي للطب الشخصي لنانسي وستيفن جراند، وسيلفيا كوفمان والدكتورة ريتا ماتيوس من معهد ماكس بلانك.
المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:
